一种泥水盾构机双联保压控制系统及方法与流程

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1.本发明涉及一种盾构机，具体涉及一种盾构机保压系统。

背景技术：

2.随着泥水气压平衡盾构机的广泛应用及施工地层的复杂性，对保压系统的控制要求越来越高，如何快速调整气垫舱压力以平衡掌子面压力至关重要。传统设计中，两套相同的保压系统相互独立，一套一统工作，一套体系备用。虽远程可调整设定压力，但掘进过程中，一套系统突然出现进排气阀卡死、管路爆管、元器件损坏等故障时，仅靠调节设定压力，无法满足现场多变的使用情况。需施工人员进入机内关闭正在使用的系统，启用备用系统，并将设定压力调整至所需工作压力，才可恢复使用。这个过程中，无法对气垫舱及掌子面压力进行调节，若操作不当，将造成地面击穿及沉降的风险。

技术实现要素：

3.发明目的：提供了一种实现两个保压系统可迅速切换工作的泥水盾构机双联保压控制系统及方法。
4.技术方案：一种泥水盾构机双联保压控制系统，包括两个控制回路；每个控制回路均包括保压控制单元、进气阀、排气阀；所述保压控制单元分别连接并控制对应控制回路中的进气阀和排气阀，所述进气阀和排气阀与气垫仓连通；通过任一控制回路的保压控制单元调节气垫仓压力设定值，对应控制回路的所述进气阀和排气阀对气垫仓进行进、排气，另一控制回路的保压控制单元随之调节至相同的压力设定值。
5.进一步，两个所述保压控制单元包括共用的plc模块以及每个保压控制单元独立的气动步进马达和pi控制器，所述plc模块接收任一保压控制单元的气垫仓压力设定值，并控制对应保压控制单元的气动步进马达动作，通过pi控制器连接并控制进气阀或排气阀动作。
6.进一步，所述每个控制回路还包括与气垫仓相连的压力传感器，所述压力传感器连接pi控制器。
7.进一步，所述pi控制器通过压电转换模块连接plc模块，所述plc模块还连接有人机交互显示单元。
8.进一步，每个所述保压控制单元的pi控制器通过控制阀连接进气阀和排气阀，并通过控制阀的开闭实现两个控制回路的切换。
9.进一步，所述排气阀连通气垫仓的管道上设有气动阀，所述气动阀连接plc模块。
10.一种泥水盾构机双联保压控制方法，若需要增压时，通过任一控制回路的保压控制单元设定压力值，该回路的保压控制单元控制进气阀进气，另一控制回路的保压控制单元调节至相同的压力设定值；若需要减压时，通过任一控制回路的保压控制单元设定压力设定值，该回路的保压控制单元控制排气阀排气，另一控制回路的保压控制单元调节至相
同的压力设定值。
11.更进一步，plc模块接收任一保压控制单元的压力设定值，控制对应保压控制单元的气动步进马达动作，将压力设定值传递给pi控制器；对应控制回路中的压力传感器检测气垫仓的实际压力值同时传递给pi控制器，pi控制器比对压力设定值和实际压力值，控制该控制回路的进气阀或排气阀进气或排气；此外，plc模块将该控制回路中的压力设定值传递给另一控制回路的保压控制单元，将其压力设定值调整为相同值。
12.更进一步，pi控制器将压力设定值和实际压力值传递给压电转换模块，压电转换模块转换为电信号发送给plc模块，plc模块传输给人机交互显示界面进行显示。
13.进一步，若任一控制回路发生故障，通过控制阀切换到未故障的另一控制回路进行增压和减压的操作。
14.有益效果：1、本发明通过任一控制回路的保压控制单元设定压力值时，另一控制回路的压力设定值随之变化，因此在其中一个回路发生故障时，可以快速切换至另一回路继续工作，不需要重新设定备用回路的压力值，从而实现掌子面的稳定；2、本发明可通过两个控制回路的切换控制，实现操作人员在司机室进行相互切换工作，缩短响应时间，减少掌子面压力波动对地层的影响；3、本发明还提出在排气管路上设置气动阀，气动阀通过保压控制单元控制，在出现气垫舱泥浆液位满仓情况时，关闭气动阀保证掌子面压力稳定。
附图说明
15.图1为本发明双联保压控制系统示意图；图2为本发明双联保压控制系统控制流程图；图3为压力设定电气原理图；图4为压力显示电气原理图；图5为第一保压控制单元loop1和第二保压控制单元loop2切换电气原理图；图6为压力检测电气原理图；图7为气动阀工作原理图。
具体实施方式
16.一种泥水盾构机双联保压控制系统，如图1所示，包括第一控制回路和第二控制回路；第一控制回路包括第一保压控制单元loop1、第一进气阀101、第一排气阀102、第一压力传感器103、第一气动阀104、第一供气压力传感器105、第一供气流量计106、第一减压阀107、第一消音器108、第一气动三联件109和第一气动双联件110。第一进气阀101、第一排气阀102和第一压力传感器103均接至第一保压控制单元loop1。
17.第一控制回路与气垫仓1连通的进气管路上顺序设置第一进气阀101、第一供气压力传感器105、第一供气流量计106和第一减压阀107，第一供气压力传感器105用于检测第一控制回路的供气压力，第一供气流量计106用于检测进气流量，第一减压阀107安装在供气管路上，用于调节供气管路压力。进气管路上还设有与第一保压控制单元loop1连接的第一气动三联件109和第一气动双联件110，控制气源一般压力较低和保持清洁，通过第一气
动三联件109和第一气动双联件110起到减压和过滤气源作用。
18.第一控制回路与气垫仓1连通的排气管路上设有第一气动阀104和第一排气阀102，第一排气阀102上设置有第一消音器108，用于消除排气产生的噪音。
19.第一控制回路中设置于气垫仓1的第一压力传感器103，用以检测气垫仓1的实际压力。
20.第二控制回路包括第二保压控制单元loop2、第二进气阀201、第二排气阀202、第二压力传感器203、第二气动阀204、第二供气压力传感器205、第二供气流量计206、第二减压阀207、第二消音器208、第二气动三联件209和第二气动双联件210；连接方式与第一控制回路相同。
21.第一保压控制单元loop1和第二保压控制单元loop2具有共用的plc模块，本实施例的plc模块选用三菱plc主站模块、三菱plc从站模块，人机交互显示单元选用普洛菲斯人机界面，此外，每个保压控制单元还集成了dc24v电源、气动步进马达、pi控制器、压电转换模块和换向阀。如图2所示，第一控制回路中的气动步进马达和pi控制器为第一气动步进马达和第一pi控制器，第二控制回路中的气动步进马达和pi控制器为第二气动步进马达和第二pi控制器。在任一控制回路中进行增压或减压时，一方面，通过人机交互显示单元对气垫仓的压力进行设定，人机交互显示单元将压力设定值传递给plc模块，plc模块控制该控制回路的气动步进马达动作，发送气压信号给该控制回路的pi控制器；另一方面，该控制回路的压力传感器检测气垫仓1的实际压力值并传递给pi控制器。pi控制器对压力设定值和实际压力值进行比较，当压力设定值小于实际压力值时，pi控制器控制该控制回路的排气阀动作；当压力设定值大于实际压力值时，pi控制器控制该控制回路的进气阀动作。此外，pi控制器将实际压力值和压力设定值的气压信号通过压电转换模块转换成电信号传递给plc模块，plc模块将其发送给人机交互显示单元，对压力设定值和实际值进行显示。结合图4，第一保压控制单元loop1控制压力设定值加减时，通过压电转换模块4b1、4b3分别将第一保压控制单元loop1的压力设定值和实际压力值转换成电流信号传输给plc模块，plc模块将其传至人机交互显示单元。第二保压控制单元loop2控制压力设定值加减时，同理，压电转换模块4b2、4b4分别将第二保压控制单元loop2的压力设定值和实际压力值转换成电流信号传输给plc模块，plc模块将其传至人机交互显示单元。
22.如图3所示，操作第一保压控制单元loop1的压力设定值增加时，plc点位y50输出，中继2k4得电，中继2k4常开触点闭合，电磁阀2y5得电，控制第一气动步进马达动作，通过第一pi控制器控制第一进气阀101打开，气垫仓1进气。操作第一保压控制单元loop1的压力设定值减小时，plc点位y51输出，中继2k5得电，中继2k5常开触点闭合，电磁阀2y6得电，控制第一气动步进马达动作，通过第一pi控制器连接并控制气源进入第一排气阀102排气。同理，也可通过第二保压控制单元loop2进行压力设定值的增加和减少，压力设定值增加时，plc点位y52输出，中继3k2得电，中继3k2常开触点闭合，电磁阀3y2得电，控制第二气动步进马达动作，通过第二pi控制器控制第二进气阀201打开，气垫仓1进气；压力设定值减小时，plc点位y53输出，中继3k3得电，中继3k3常开触点闭合，电磁阀3y3得电，控制第二气动步进马达动作，通过第二pi控制器连接并控制气源进入第二排气阀202排气。
23.通过第一保压控制单元loop1或第二保压控制单元loop2调节气垫仓1的压力，该单元的进气阀和排气阀对气垫仓1进行进气、排气，另一控制回路的保压控制单元的压力设
定值跟随调节至相应的压力值。
24.例如，使用第一保压控制单元loop1时，plc模块接收在人机交互显示单元设定的该单元的压力设定值，plc模块发出控制信号，控制第一气动步进马达动作，通过第一pi控制器的判断控制第一进气阀或第一排气阀动作；同时，plc模块将接收的第一保压控制单元loop1和第二保压控制单元loop2的当前压力设定值进行对比，若存在差值，plc模块发出控制信号，调整loop2 系统压力设定值，loop2系统仅设定值跟随动作，阀不动作。
25.具体的，当第一保压控制单元loop1设定值增加或减小后，plc模块进行计算对比第二保压控制单元loop2与第一保压控制单元loop1的压力设定值，如loop2小于loop1压力设定值，plc模块输出loop2压力设定值增加信号，plc点位y52输出，中继3k2得电，中继3k2常开触点闭合，电磁阀3y2得电，控制第二气动步进马达动作，控制气源进入第二pi控制器，通过压电转换模块4b2将调整后的loop2压力设定值传输到人机交互显示单元，使其与loop1压力设定值一致，但不进行进气阀和排气阀的控制；同时，气压信号通过压电转换模块4b2将loop2压力设定值转换成电流信号传输给plc模块并再次与loop1设定值进行对比，如loop2大于loop1设定值，plc点位y53输出，中继3k3得电，中继3k3常开触点闭合，电磁阀3y3得电，控制第二气动步进马达动作，控制气源进入第二pi控制器，通过压电转换模块4b2将调整后的loop2压力设定值传输到人机交互显示单元，使其与loop1压力设定值一致，但不进行进气阀和排气阀的控制；同时，气压信号通过压电转换模块4b2将loop2设定压力转换成电流信号传输给plc模块再次与loop1设定值对比，如此循环动作，直至loop2设定值与loop1设定值相等或处于误差范围以内。
26.设定第二保压控制单元loop2压力值时，loop1的设定值亦会跟随loop2设定值调整，同理不做赘述。
27.第一保压控制单元loop1和第二保压控制单元loop2切换电气原理可以使用一个二位四通换向阀实现，该换向阀对应连接两个保压控制单元的进、排气阀。使用其中一个保压控制单元进气或排气时，二位四通换向阀中与其单元内进气阀和排气阀对应的两个通道打开，另一个保压控制单元对应的进气阀和排气阀通道关闭。故障时，二位四通换向阀打开与未故障单元对应的进气阀和排气阀通道，切换系统工作。如图5所示，结合图2，盾构机正常掘进时，如此时正使用loop1设定并调节压力值，同时，loop2压力设定值跟随调节，直到压力设定值与loop1系统压力设定值相同或处于误差范围内；若loop1此时有故障产生，plc点位y55输出，中继2k3得电，中继2k3常开触点闭合，loop2系统换向阀2y4得电，将保压系统切换至loop2系统工作，维持掌子面稳定；切换loop1系统工作时，原理一致，再此不做赘述。
28.保压控制单元的供气压力检测电气原理如图6所示，结合图3，第一供气压力传感器105安装在供气管路上检测气源压力，若此时loop1系统气源压力低时，第一供气压力传感器105测得的压力值转换成电流信号发送给plc模块，并与plc模块中设定的压力报警值对比，若低于plc模块中设定的压力报警值，plc模块输出报警，报警装置报警鸣叫，同时人机交互显示单元显示供气压力低报警灯亮红，操作人员可通过消音按钮消音，此功能仅用作消音，减少噪音，压力低报警消除后供气压力低报警灯恢复黑。loop2系统气源压力低时，报警消音原理一致，在此不做赘述。
29.保压控制单元排气阀原理如图7所示，在盾构机施工中，如遇到气垫仓1泥浆液位满仓，保压控制单元失控情况下，可手动关闭第一气动阀104和第二气动阀204。plc模块点
位y4e、y4f输出，中继20k1、20k5得电，中继20k1、20k5常开触点闭合，第一气动阀104和第二气动阀204对应的20y2、20y5线圈得电，控制气动阀关闭，阀关闭后信号xd、xf反馈给plc模块，防止泥浆喷入盾构机盾体，同时保证掌子面压力稳定。若需打开第一气动阀104和第二气动阀204，同理阀打开信号xc、xe反馈给plc模块。

技术特征：

1.一种泥水盾构机双联保压控制系统，其特征在于：包括两个控制回路；每个控制回路均包括保压控制单元、进气阀、排气阀；所述保压控制单元分别连接并控制对应控制回路中的进气阀和排气阀，所述进气阀和排气阀与气垫仓连通；通过任一控制回路的保压控制单元调节气垫仓压力设定值，对应控制回路的所述进气阀和排气阀对气垫仓进行进、排气，另一控制回路的保压控制单元随之调节至相同的压力设定值。2.根据权利要求1所述的泥水盾构机双联保压控制系统，其特征在于：两个所述保压控制单元包括共用的plc模块以及每个保压控制单元独立的气动步进马达和pi控制器，所述plc模块接收任一保压控制单元的气垫仓压力设定值，并控制对应保压控制单元的气动步进马达动作，通过pi控制器连接并控制进气阀或排气阀动作。3.根据权利要求2所述的泥水盾构机双联保压控制系统，其特征在于：所述每个控制回路还包括与气垫仓相连的压力传感器，所述压力传感器连接pi控制器。4.根据权利要求2或3所述的泥水盾构机双联保压控制系统，其特征在于：所述pi控制器通过压电转换模块连接plc模块，所述plc模块还连接有人机交互显示单元。5.根据权利要求2所述的泥水盾构机双联保压控制系统，其特征在于：每个所述保压控制单元的pi控制器通过控制阀连接进气阀和排气阀，并通过控制阀的开闭实现两个控制回路的切换。6.根据权利要求2所述的泥水盾构机双联保压控制系统，其特征在于：所述排气阀连通气垫仓的管道上设有气动阀，所述气动阀连接plc模块。7.一种泥水盾构机双联保压控制方法，其特征在于：若需要增压时，通过任一控制回路的保压控制单元设定压力值，该回路的保压控制单元控制进气阀进气，另一控制回路的保压控制单元调节至相同的压力设定值；若需要减压时，通过任一控制回路的保压控制单元设定压力设定值，该回路的保压控制单元控制排气阀排气，另一控制回路的保压控制单元调节至相同的压力设定值。8.根据权利要求7所述的泥水盾构机双联保压控制方法，其特征在于：plc模块接收任一保压控制单元的压力设定值，控制对应保压控制单元的气动步进马达动作，将压力设定值传递给pi控制器；对应控制回路中的压力传感器检测气垫仓的实际压力值同时传递给pi控制器，pi控制器比对压力设定值和实际压力值，控制该控制回路的进气阀或排气阀进气或排气；此外，plc模块将该控制回路中的压力设定值传递给另一控制回路的保压控制单元，将其压力设定值调整为相同值。9.根据权利要求8所述的泥水盾构机双联保压控制方法，其特征在于：pi控制器将压力设定值和实际压力值传递给压电转换模块，压电转换模块转换为电信号发送给plc模块，plc模块传输给人机交互显示界面进行显示。10.根据权利要求7所述的泥水盾构机双联保压控制方法，其特征在于：若任一控制回路发生故障，通过控制阀切换到未故障的另一控制回路进行增压和减压的操作。

技术总结

本发明提供了一种泥水盾构机双联保压控制系统及方法，系统包括两个控制回路；每个控制回路均包括保压控制单元、进气阀、排气阀；所述保压控制单元分别连接并控制对应控制回路中的进气阀和排气阀，所述进气阀和排气阀与气垫仓连通；通过任一控制回路的保压控制单元调节气垫仓压力设定值，对应控制回路的所述进气阀和排气阀对气垫仓进行进、排气，另一控制回路的保压控制单元随之调节至相同的压力设定值。本发明任一控制回路的保压控制单元设定压力值时，另一控制回路的压力值随之变化，因此在其中一个回路发生故障时，不需要设定另一回路的压力值，可以快速切换至另一回路继续工作，从而实现掌子面的稳定。从而实现掌子面的稳定。从而实现掌子面的稳定。